强场激光加速产生高性能粒子束

超短超强激光驱动等离子体，可获得电子能量高达1GeV、质子能量高达60MeV的高性能粒子束，从而在高能加速器、聚变物理、短脉冲高亮度X光源产生、实现小型化自由电子激光等领域都有重大的应用价值。本项目主要研究利用超短超强激光在等离子体中形成稳定的特殊三维尾波结构，即空泡，实现单能电子加速。采用两种控制电子注入的方法，即两束激光对打和纳米细丝扰动，来提高电子加速的稳定性，并控制高能电子的数量和能量。项目还将研究通过改变激光传输方向的等离子体密度，来改变空泡中纵向加速静电场的梯度，从而抵消高能电子束本身电荷分离场的梯度，以提高电子束的性能；还将研究高能电子束的细致结构，并考虑其可能的重大应用。项目将利用靶后鞘层加速实现质子加速，并将利用多层靶来提高加速效率，利用微结构靶获得准单能质子束，同时研究获得高性能高能离子束的其他有效途径。

20世纪90年代初以来，超短脉冲超强激光的发展为紧凑而高效的粒子加速这一问题的解决提供了一个全新的思路。利用超强飞秒激光产生高能电子、质子的研究引起了空前的关注。2008年申请课题时, 在国际上在粒子加速方面已有一些突破性的进展。比如在2004年，美国、英国、 法国的实验同时实现了背景等离子体中电子的自注入，得到了单能电子束；2006年，激光加速电子的能量得到进一步提高，Leemans等人用40 TW的超短激光脉冲在3.3cm长的等离子体中获得了能量达到1GeV的高性能高能电子束；2006年Faure等从实验上初步解决了电子加速的不稳定性问题。其方法是用另一束反向传播的弱激光来控制电子注入的位置，从而大大增强了空泡机制加速电子的稳定性。利用靶后鞘层加速，美国利弗莫尔实验室于2000年获得了57 MeV的高能质子，使得激光加速质子这一研究领域开始得到国际上的广泛关注。另外由沈百飞等于2001年提出，后由 Esirkepov等发展的激光光压直接加速机制日益受到重视。国内多个单位也积极从事有关研究，并取得了很大进展。在此背景下我们开始了本课题的研究。. 本课题的主要研究目标是，“主要在电子加速和离子加速两个方面先采用30TW飞秒激光系统产生的激光等离子加速电子得到高性能的高能电子束，电子能量达到100MeV以上，重点是减小电子束的能量和方向发散度，提高电子束的稳定性和重复性，利用较低能量激光获得400 keV的质子源。再用100TW量级或更高功率飞秒激光系统加速电子、质子，掌握利用现有条件使电子能量达GeV量级，甚至10 GeV，质子能量达到几个到十几个MeV的实验方法。”四年后回顾，当时设定的目标是比较高的。但课题组通过不懈的努力实现了预期的研究目标，利用毛细管增加加速距离，电子最高能量达到1.4GeV，创国际新高；利用高对比度100TW激光进行质子加速实验，测得最高质子能量为7 MeV。另外，课题组在改善高能电子束性能，比如电子能散、电子电荷量等方面取得进展；大量的理论和模拟研究加深了对激光粒子加速的认识，也为今后的深入研究提供了大量的知识储备。. 经过四年国内外，包括本课题的研究，激光加速研究进入了一个新的阶段。级联加速等新技术将使得激光加速粒子的能量、束品质、稳定性等进一步提高，同时人们开始更多地考虑粒子束在各方面的应用。